Jedním z náročnějších aspektů průzkumu vesmíru a designu kosmických lodí je plánování opětovného vstupu. I v případě tenkých atmosfér, jako je Mars, je známo, že vstup do atmosféry planety způsobuje velké množství tepla a tření. Z tohoto důvodu byla kosmická loď vždy vybavena tepelnými štíty, které absorbují tuto energii a zajišťují, aby se kosmická loď při opětovném vstupu nerozpadla nebo nespálila.
Bohužel, současná kosmická loď se musí spoléhat na obrovské nafukovací nebo mechanicky rozmístěné štíty, které jsou často těžké a obtížně použitelné. K řešení tohoto problému vyvinul doktorát z University of Manchester prototyp prototypu tepelného štítu, který by se spoléhal na odstředivé síly, aby zpevnil pružné a lehké materiály. Tento prototyp, který je prvním svého druhu, by mohl snížit náklady na vesmírné cestování a usnadnit budoucí mise na Mars.
Koncept byl navržen Rui Wu, doktorandkou z Manchesterské školy strojní, letecké a stavební techniky (MACE). Připojili se k němu Peter C.E. Roberts a Carl Driver - vedoucí přednášející v oboru kosmické techniky a přednášející na MACE, respektive Constantinos Soutis z University of Manchester Aerospace Research Institute.
Jednoduše řečeno, planety s atmosférou umožňují kosmické lodi využívat aerodynamický odpor k zpomalení přípravy na přistání. Tento proces vytváří ohromné množství tepla. V případě zemské atmosféry se generují teploty 10 000 ° C (18 000 ° F) a vzduch kolem kosmické lodi se může proměnit v plazmu. Z tohoto důvodu vyžaduje kosmická loď tepelný štít namontovaný na přední straně, který toleruje extrémní teplo a má aerodynamický tvar.
Při nasazení na Mars jsou okolnosti poněkud odlišné, ale výzva zůstává stejná. Zatímco marťanská atmosféra je menší než 1% atmosféry Země - s průměrným povrchovým tlakem 0,636 kPa ve srovnání se 101,325 kPa na Zemi - kosmická loď stále vyžaduje tepelné štíty, aby se zabránilo spálení a nesení těžkých nákladů. Design společnosti Wu potenciálně řeší oba tyto problémy.
Konstrukce prototypu, která se skládá ze štítu ve tvaru sukně navrženého pro rotaci, se snaží vytvořit tepelný štít, který vyhoví potřebám současných i budoucích vesmírných misí. Jak vysvětlil Wu:
"Kosmická loď pro budoucí mise musí být větší a těžší než kdykoli předtím, což znamená, že tepelné štíty budou stále příliš velké na správu ... Kosmická loď pro budoucí mise musí být větší a těžší než kdykoli předtím, což znamená, že tepelné štíty budou stále příliš velké pro správu." . “
Wu a jeho kolegové popsali svůj koncept v nedávné studii, která se objevila v časopiseArca Astronautica (s názvem „Flexibilní tepelné štíty nasazené odstředivou silou“). Konstrukce se skládá z pokročilého, flexibilního materiálu, který má vysokou teplotní toleranci a umožňuje snadné skládání a skladování na palubě kosmické lodi. Materiál se stává tuhým, když štít aplikuje odstředivou sílu, čehož se dosahuje otáčením při vstupu.
Zatím Wu a jeho tým provedli pádový test s prototypem z nadmořské výšky 100 m (328 ft) pomocí balónu (jehož video je zveřejněno níže). Také provedli strukturální dynamickou analýzu, která potvrdila, že tepelný štít je schopen se automaticky zapojit do dostatečné rychlosti odstřeďování (6 otáček za sekundu), když je nasazen z výšek vyšších než 30 km (18,64 mil) - což se kryje se stratosférou Země.
Tým také provedl tepelnou analýzu, která naznačila, že tepelný štít by mohl snížit teplotu front end o 100 K (100 ° C; 212 ° F) u vozidla velikosti CubeSat bez nutnosti tepelné izolace kolem samotného štítu (na rozdíl od nafukovacích struktur) ). Konstrukce je také samoregulační, což znamená, že se nespoléhá na další strojní zařízení, což ještě více snižuje hmotnost kosmické lodi.
A na rozdíl od konvenčních návrhů je jejich prototyp škálovatelný pro použití na palubě menších kosmických lodí, jako je CubeSats. Díky tomu, že je vybaven takovým štítem, může být CubeSats obnoven poté, co znovu vstoupily do zemské atmosféry, čímž se staly znovu použitelnými. To vše je v souladu se současným úsilím o zefektivnění průzkumu vesmíru a výzkumu, zčásti prostřednictvím vývoje opakovaně použitelných a získatelných částí. Jak vysvětlil Wu:
„Stále více výzkumů probíhá ve vesmíru, ale to je obvykle velmi drahé a vybavení musí sdílet jízdu s jinými vozidly. Protože je tento prototyp dostatečně lehký a flexibilní pro použití na menších satelitech, mohl by být výzkum snadnější a levnější. Tepelný štít by také pomohl ušetřit náklady na regenerační mise, protože jeho vysoký indukovaný odpor snižuje množství paliva spáleného při opětovném vstupu. “
Když přijde čas, aby byly těžší kosmické lodě nasazeny na Mars, což bude pravděpodobně zahrnovat mise s posádkou, je zcela možné, že tepelné štíty, které zajišťují, že bezpečně zajistí, že jsou na povrchu, jsou složeny z lehkých, pružných materiálů, které se točí, aby ztuhly. Mezitím by tento design mohl umožnit lehké a kompaktní vstupní systémy pro menší kosmické lodě, což by výzkum CubeSat učinilo mnohem dostupnějším.
Taková je povaha moderního průzkumu vesmíru, což je vše o snižování nákladů a zpřístupňování prostoru. Nezapomeňte si také prohlédnout toto video z testu pádu týmu, se svolením Rui Wui a týmu MACE:
